發布日期：2022-07-14 點擊率：12
以太網曾經被認為僅用于辦公室白領的網絡，但是它的藍領兄弟－經常提到的工業以太網－正在快速地向工業現場轉移。根據自動化研究與咨詢顧問集團（ARC Advisory Group）的報告，以太網正成為制造控制網絡的選擇技術。ARC預計在下一個5年中，會有數以百萬計的基于工業以太網的設備，部署到制造企業的自動化應用之中。
在網絡標準被廣泛理解的今天，把以太網用于工業行業，可以獲得很多收益，包括節省成本、提高信息的可用性和在工業現場廣泛多領域應用中伸縮性的支持。僅僅部署一個基于以太網的工業網絡還遠遠不夠，還要維護這個網絡的高性能和高安全性，所以要實施智能的以太網服務。
網絡智能涉及到三個關鍵區域的網絡最優化：可靠性、確定性和安全性。一個智能網絡的例子是EtherNet/IP，它是引領開放工業網絡的一員，提供了很多工業特性和對TCP/IP/UDP 標準的支持，并推出了一系列基于工業現場的服務。
可靠性和可用性
工業以太網是否可靠和可用，決定了制造生產的連續和持續。根據現場維護的經驗，很多的網絡問題出現在布線的設計和布線的安裝方面。布線設計和安裝要遵循的原則包括：動力線和信號線用槽架隔離或者具有標準的間隔；布線同樣要躲避大功率的電機、變頻器、接觸器和風機等；信號線采用帶屏蔽的以太網超五類線；通信采用全雙工方式；屏蔽線多采用單端接地的方式；網絡負載控制在35％之內；惡劣環境要使用鎧裝電纜；特殊環境要使用IP67等級的防水接頭、端子、I/O、交換機等。
常見的最佳實踐包括：
1. 按照標準設計工業網絡的布線。
2. 選擇和使用質量良好的電纜和接頭。
3. 撰寫和保存好布線設計文檔。
4. 對布線設計進行驗證。
5. 對安裝的電纜、連接器、終端器進行編碼和標記。
6. 對屏蔽線進行接地和等電位連接。
7. 安裝的驗證和驗收測試。
另外，如果一個網絡的鏈接出現失效時，它還必須能夠快速地恢復。兩種以太網的標準支持網絡冗余：生成樹協議（STP）和快速生成樹協議（RSTP）。設計的這些協議是為了能夠使網絡調整它的拓撲結構，重新定義“從A點到B點”的數據路徑，用于連接網上的每個設備。在以太網上，STP應該是一個缺省特性，RSTP可以進行配置，使網絡需要的恢復時間可以縮短到秒級。
上面介紹的是用于IT網絡或者說是辦公室環境下以太網所使用的冗余技術，但對于工業以太網來說，秒級的恢復時間遠遠滿足不了使用的要求。因此，最近IEC推出了IEC 62439標準：高可用性自動化網絡，其中推薦了6種冗余協議，這些網絡的切換時間達到了毫秒、甚至是微妙級。他們分別是：
1. 介質冗余協議（Media Redundancy Protocol，MRP），它是基于環型拓撲的恢復協議。
2. 并行冗余協議（Parallel Redundancy Protocol，PRP）是在設備上實現冗余的協議，終端節點連接到并行運行且具有相似特性的兩個LAN上，在發送鏈路或交換機出現故障時，實現快速切換。
3. 跨網冗余協議（Cross-network Redundancy Protocol，CRP）是基于網絡副本規定的冗余協議，協議在終端節點內執行，與建立在交換機上的冗余網絡是相對的。
4. 信標冗余協議（Beacon Redundancy Protocol，BRP）是建立在標準以太網ISO/IEC 8802-3、IEEE 802.1技術和冗余基礎結構上的網絡。
5. 分布冗余協議（Distributed Redundancy Protocol，DRP）是我國自主知識產權的實現高可用性自動化網絡的技術標準。DRP基于ISO/IEC 8802-3和IEEE 802.1的標準，實現通信鏈路冗余。
6. 環路冗余協議（Ring-based Redundancy Protocol，RRP）。
用戶應根據工廠的實際要求選擇合適的高可用性網絡。
確定性和實時性
EtherNet/IP的運行使用我們熟悉被稱為的“生產者/消費者”模型，其中智能設備把數據流發送到網絡上，使得任何想要讀取這個數據的設備都可以得到它。為了實現這種通信方式，EtherNet/IP使用標準TCP/IP棧中的 “多播”功能（也稱組播）。根據定義，多播數據缺省地傳送給網絡上的每個設備。在某些自動化配置中，用戶需要減少網絡中的負載，可以僅在需要數據的區域或者設備，使用多播通信。
兩種智能交換特性是限制通信的基礎：虛擬局域網（VLAN）和因特網組管理協議（IGMP）。VLAN限制多播傳送，只能把信息傳送到特定的網絡。支持IGMP偵聽的交換機不會把數據傳送到不需要它的設備。VLAN非常容易配置，IGMP偵聽需要使能，做為缺省特性。
一個共同的誤解是以太網不是一個確定性的技術。這里需要做一些澄清。使用交換機的全雙工傳輸達到了確定性的水平，對大多數應用而言是能滿足要求的，而使用集線器的半雙工傳輸則不能提供任何等級的確定性，所以應該盡量避免使用。特別在數據傳輸過載的情況下，網絡需要怎樣配置才能確保確定性呢？ 這就是服務質量（QoS）要解決的問題。
QoS標準規定數據多了需要“排隊”。排隊機制可以為不同數據類型預先定義優先等級。比如，隊列中的最高級別分派給關鍵性的數據（諸如控制信息）。這就保證了這些信息總是比其他報文更優先傳輸，保證控制信息在網絡上的實時性，甚至在非常擁擠的時候也能維持網絡性能。其他類型的通信分派給較低的優先級。比如，下一個優先級分配給報警，然后是配置、性能監視和健康診斷等。
QoS參數可以根據很多變量來指派：
1．報文優先，這種標準被稱為，它是在標準以太網的幀中增加了4個字節，其中有3個二進制位可用于定義優先等級，四等優先級分別是：1&2：低，0&3：中，4&5：高，6&7：管理。接收數據包的分類由交換機數據包優先級分類的功能來完成。當數據通信負載很重時，這個功能可防止高優先級數據被低優先級數據干擾。當存儲器或者傳輸通道超載時，低優先級的數據被放棄。
2．端口優先，在實時的工業以太網中，使用一種稱之為管理型工業以太網交換機，通過對端口的設置，可以定義交換機端口的優先級別；優先級信息加載到交換機后，不需要特殊的終端設備軟件就可以處理這個優先級功能。不帶優先級信息的包（無VLAN 或者優先級標簽），可按端口優先級傳送。對每個端口，包的優先級別可以分別定義：0 = 低優先級，7 = 高優先級。
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圖1：標準中附加的4個字節
采用分段、多層的網絡模式可以提高網絡的實時性能；比如在單元/區域中，設計成多個小型的局域網和虛擬局域網(VLAN)，可以更好地管理網絡，實現確定性通訊。
推薦的最佳實踐如下：
1．通過服務質量 (QoS)中的報文優先級（）、端口優先級、VLAN標簽（）、流量控制，提高實時性。
2．使用管理型交換機。在骨干線/上行鏈路的使用千兆以太網接口，減少等待時間和信號擾動。
3．使用IP 多點傳送機制，采用多播（組播）傳送；減少點到點、廣播式傳送，控制負載流量。
4．采用多層、小型的網絡設計，保證數據傳送的確定性。
安全性和完整性
工業現場設備到設備的數據傳送是否能確保安全和完整，這在功能安全的系統中尤為重要。隨著對功能安全系統理解的深入，我們知道，為了保證系統的SIL等級，系統回路的各個環節都要保證相同的SIL等級，比如：傳感器、控制器和執行器都要選擇相同的SIL等級，才能保證系統的安全等級，否則SIL會出現在系統的短板上。
同樣，隨著系統物理尺寸的擴展和控制系統的分布，采用網絡連接功能安全組件已成為必然，這樣就提出了網絡功能安全問題，否則網絡就會成為功能安全系統的短板。為此，IEC在IEC 61784-3：工業通信網絡－行規第3部分中，定義了功能安全現場總線或網絡，現有的8種總線或網絡如下：
1. FF-SIS：基于第一類通信行規（CP1）FF現場總線基金會；
2. CIP Safety：基于第二類通信行規（CP2）CIP公共工業協議；
3. PROFIsafe：基于第三類通信行規（CP3）PROFIBUS、PROFINET；
4. INTERBUS Safety：基于第六類通信行規（CP6）INTERBUS；
5. CC-link Safety：基于第八類通信行規（CP8）CC-link；
6. Ethernet POWERlink safety：基于第十三類通信行規（CP13）以太網 POWERlink；
7. EPASafety：基于第十四類通信行規（CP14）EPA；
8. SafetyNet：基于第十八類通信行規（CP18）SafetyNet。
這里所說的功能安全現場總線或網絡，并不意味著使用特殊的網絡連接設備和網絡電纜，而是在原有的網絡上增加對傳輸數據的診斷，一旦發現數據出錯，即數據的接收與發送的不一致，就要及時報警重發，保證數據的正確。例如：在CIP Safety的協議中，使用了5種方法可以對常見的9種錯誤進行診斷，見下表：
表1：5種檢測方法可查出9種通信錯誤
另外，當提到工業以太網的安全（安保）時，通常有兩個比較關心的問題會提出來。第一個問題是在工廠級，在什么地方部署防火墻和虛擬私有網（VPN），來保護整個工廠，防止來自外面的威脅。第二個問題是在實際的生產線中，在什么地方實施網絡保護，防止與生產工廠無關的數據插入到生產的數據中來。
比如，生產線只需要傳輸控制和配置數據 — 一個大因特網文件的下載是不應該通過生產網絡的。如果一個雇員偶然把一臺筆記本電腦接入到錯誤的網絡端口上，則不允許這臺筆記本把數據傳送到生產網絡中。
這些問題都可以使用一種智能服務－稱為訪問控制服務來解決。訪問控制列表（ACL）根據預先設置的參數限制訪問，基于與描述QoS同樣的變量。保護的網絡不會阻礙具有授權的端口、設備、網絡或者應用的任何數據。
工業控制系統不同網絡之間的信息流需要進行分類傳送，互不干擾，這樣可以保證現場控制信息不被其他數據插入，保證控制動作的安全。
外部計算機對工業控制系統的訪問需要提供安全服務。企業的工業控制系統網絡是相對封閉的。但有時需要通過遠程計算機或者合作伙伴對該網絡進行訪問，所以增加防火墻、構建虛擬私有網是解決問題的基本方法。
推薦隔離層的最佳實踐有：
1. 訪問制造區域的路徑是唯一的；
2. 沒有通訊直接經過DMZ（隔離區）；
3. 在邏輯防火墻上沒有通用協議；
4. 在DMZ上建立功能分區，分段訪問數據和服務 (例如：合作伙伴區域)；
5. 沒有控制通信進入DMZ (或極少量的，不超出DMZ規定量）；
6. 限制 DMZ的外部連接；
7. 識別信任域和適當的應用安全，維持安全策略, 像防火墻一樣。
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圖2：制造企業工業網絡的分層和隔離
一個堅固、智能的網絡構建了一個強壯的工業系統。網絡可以靈活處理基于IP的任何技術。比如，IEEE 無線應用最后會融合到同樣的基礎結構之中。
展望未來
一個堅固、智慧的網絡要高于一個標準的工業以太網系統。網絡基礎架構可以融合各種基于TCP/IP標準的技術。現在，無線以太網標準 a/b/g 的應用可以融合于同一個網絡架構之中。基于IP的聲音（VoIP）網絡也可以很容易地實施到這個網絡里來。最終，原來工廠中的同軸電纜視頻網絡也可以升級到這個全IP的視頻模式。
圖3：IEC 62443中給出的企業參考網絡
所有這些網絡（生產、無線接入、聲音和視頻）應該從邏輯上給予分開和保護：這些應用的數據不要混合。由于部署它們使用的是同樣的網絡硬件和軟件技術，所以整體的安裝和運行費用會大大地節省，使企業具有極大的競爭力。
以太網是一個令人激動的技術，工業現場會由此而受益匪淺。部署一個智能的以太網是非常重要的，支持集成架構，著重解決工業當中需要解決的可靠性、確定性和安全性問題。當企業的所有應用都在高性能、可伸縮的以太網平臺上運行時，投入的資金會很快地得到回收。
（羅克韋爾自動化 華镕）
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